Guía para principiantes sobre el diseño de rectificadores de onda completa en puente H

La conversión de energía es una parte esencial de la vida moderna, y probablemente la más importante para fines prácticos en electrónica es la conversión de AC a DC. Los rectificadores son los circuitos esenciales utilizados para transformar AC en DC y pueden clasificarse en una de las siguientes categorías:

• Rectificador de media onda
• Rectificador de onda completa con derivación central
• Rectificador de puente

La funcionalidad de estos rectificadores es la misma, es decir, conversión de AC a DC, pero cada uno utiliza una configuración de entrada diferente y tienen diferentes salidas. El rectificador con derivación central y el rectificador de puente son ambos rectificadores de onda completa (este último a veces se llama "rectificador de puente completo"), y proporcionan una eficiencia de conversión de energía más alta que un rectificador de media onda. Los rectificadores con derivación central y de puente sirven casi el mismo propósito, pero el transformador con derivación central utilizado en el primero es costoso, por lo que generalmente se prefiere un rectificador de puente a menos que se necesiten las derivaciones centrales en un transformador por alguna razón particular.

En esta guía, veremos el diseño y la simulación de un rectificador de puente completo H para la conversión de energía monofásica y trifásica. Ambos pueden utilizarse en un entorno industrial, incluidos en pequeños módulos de control que mi empresa ha desarrollado para proyectos de clientes. Son ubicuos en otros dispositivos electrónicos, y construir una simulación con estos es importante para ver cómo pueden entregar energía a circuitos downstream con alta eficiencia.

Tipos de Circuitos de Rectificador de Puente Completo

Un circuito básico de rectificador de puente completo se muestra a continuación. Este circuito normalmente utiliza cuatro diodos (D1-D4) dispuestos en pares en serie y solo dos diodos están polarizados directamente durante cada medio ciclo de la entrada de AC. Los cuatro diodos en este rectificador están conectados en una estructura cerrada en forma de puente y esta asamblea le da su nombre. A veces esto se llama un rectificador no controlado, la razón de lo cual se mostrará más adelante en este artículo.

Rectificadores Monofásicos vs. Trifásicos

A veces, verás el rectificador anterior dibujado en una configuración de puente H, que se muestra a continuación. Esta configuración es la misma que la configuración anterior. También se muestra a continuación un rectificador trifásico para comparación, que simplemente utiliza 6 diodos en lugar de 4, con 2 diodos en serie utilizados para controlar el flujo de corriente para cada fase en una conexión de AC trifásica. Las diferencias entre los dos tipos de rectificadores deberían ser evidentes por sus formas de onda; el rectificador trifásico proporciona mucho menos ondulación pero a 1.5 veces la frecuencia del rectificador monofásico.

Como los diodos convencionales son unidireccionales y no controlados, solo permiten que la corriente fluya en una dirección, y no hay forma de controlar el voltaje directo. Por esta razón, normalmente llamamos a estos rectificadores “no controlados” y necesitamos elegir adecuadamente los diodos utilizados en estos circuitos para asegurar que el rectificador esté completamente polarizado directamente en el entorno operativo previsto. Si te conectas a la red de CA, tendrás suficiente margen para asegurar que los diodos en este circuito siempre estén polarizados directamente, esto es más preocupante si primero reduces a un nivel bajo, luego aplicas la rectificación. Por esta razón, a menudo se utiliza un transformador para reducir primero a un nivel moderado (nivel de CA nominal de 12 V o 24 V), luego la señal pasa a través del rectificador. Después de suavizar a algún valor de CC, se aplica una etapa de regulación final para establecer el voltaje de salida al valor requerido.

Rectificadores Controlados

Este tipo de rectificador de puente completo utiliza algunos componentes de estado sólido controlados como MOSFETs, IGBTs, SCRs, etc. en lugar de diodos convencionales. Un SCR se utiliza comúnmente ya que su voltaje puede variarse fácilmente mediante la aplicación directa de un voltaje externo de CC. Como tal, el sistema puede ajustar la salida de potencia para diferentes voltajes según sea necesario. La imagen a continuación muestra un rectificador de puente controlado monofásico, que simplemente implica reemplazar los diodos con SCRs.

Al igual que el rectificador monofásico regular, este rectificador controlado puede dibujarse como un puente H; la funcionalidad resultante es exactamente la misma. También podemos extender el circuito a una entrada trifásica utilizando 6 SCRs (2 por cada fase).

Elegir Diodos

Como mencioné anteriormente, debería quedar claro que la corriente a través de la carga fluye en una dirección en ambos tipos de rectificadores, por lo que solo dos de los diodos están polarizados directamente en cualquier momento dado. Hay una caída de voltaje a través de cada diodo en la sección del puente polarizado directamente durante cada medio ciclo. Para los diodos de silicio, la caída total de voltaje debe ser 2*0.7 = 1.4 V porque dos diodos estarán polarizados directamente. Si estás trabajando con CA acoplada por transformador de nivel inferior, entonces podrías querer usar diodos de germanio o Schottky ya que tienen una caída de voltaje más baja cuando están polarizados directamente.

Formas de Onda de Salida

Normalmente, una vez que configuras tu rectificador, se establece un voltaje de CC añadiendo un capacitor de suavizado a través de las salidas. El capacitor de suavizado en paralelo con la carga determinará el nivel de ondulación superpuesta en la forma de onda de salida de CC. Durante el instante en que el voltaje de entrada comienza a disminuir durante un ciclo, el capacitor a través de la salida comenzará a descargarse en paralelo con la resistencia, formando así un circuito RC. El capacitor se carga y descarga repetidamente con una constante de tiempo RC particular entre medios ciclos. Antes de que el capacitor pueda descargarse completamente, comienza el ciclo de carga, por lo que el capacitor nunca se descarga completamente a menos que se corte la alimentación de entrada.

Aquí, puedes usar la constante de tiempo RC para determinar esta tasa de descarga a través de la carga. Por ejemplo, si usamos una resistencia de carga de 10 kOhm con un capacitor de 50 uF, entonces la constante de tiempo RC es de 500 ms. Esto significa que, si queremos reducir la ondulación en el voltaje de salida de CC, entonces necesitamos aumentar el valor del capacitor de suavizado o la resistencia de carga (o ambos). Aunque la forma de onda de salida no es puramente de CC, aumentar la resistencia de carga y suavizar el capacitor lo suficiente hace que la ondulación de salida sea tan pequeña que podría no ser fácilmente notada. La etapa final de regulación generalmente será un LDO (para bajo voltaje) o un regulador conmutado (para alto voltaje).

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